遺伝学

遺伝学は、生物の遺伝子、遺伝的変異、遺伝を研究する学問です。^{[1] [2] [3]遺伝は生物の}進化に不可欠であるため、生物学の重要な分野です。19世紀にブルノで活動していたモラヴィア派のアウグスティノ会修道士、グレゴール・メンデルは、遺伝を科学的に研究した最初の人物です。メンデルは「形質の遺伝」、つまり形質が親から子へと時間とともに受け継がれるパターンを研究しました。彼は、生物（エンドウ豆の植物）が個別の「遺伝単位」によって形質を継承することを観察しました。今日でも使用されているこの用語は、遺伝子と呼ばれるもののやや曖昧な定義です。

遺伝子の形質継承と分子継承のメカニズムは、21 世紀においても遺伝学の主要原理ですが、現代の遺伝学は遺伝子の機能と挙動の研究へと広がりました。遺伝子の構造と機能、変異、分布は、細胞、生物 (優性など )、および集団の観点から研究されます。遺伝学は、分子遺伝学、エピジェネティクス、集団遺伝学など、多くの分野を生み出しました。この広範な分野で研究される生物は、生命のさまざまな領域 (古細菌、細菌、真核生物) にわたります。

遺伝的プロセスは生物の環境や経験と相まって発達や行動に影響を及ぼし、しばしば「生まれと育ち」と呼ばれます。生きた細胞や生物の細胞内または細胞外の環境は、遺伝子の転写を増加または減少させる可能性があります。典型的な例は、遺伝的に同一のトウモロコシの種子 2 つで、1 つは温帯気候に、もう 1 つは乾燥気候（十分な滝や雨がない）に置かれた場合です。2 つのトウモロコシの茎が成長する平均的な高さは遺伝的に決定されますが、乾燥気候の茎は、その環境における水分と栄養素の不足により、温帯気候の茎の半分の高さにしか成長しません。

ジェネティクスという言葉は、「生殖的」/「生成的」を意味する古代ギリシャ語 γενετικός ジェネティコスに由来し、さらに「起源」を意味するγένεσις ジェネシスに由来します。^{[4] [5] [6]}

生物が親から形質を受け継ぐという観察は、先史時代から品種改良を通じて作物や動物を改良するために使われてきました。^{[7] [8]}このプロセスを理解しようとする現代の遺伝学は、 19世紀半ばのアウグスティノ会修道士グレゴール・メンデルの研究から始まりました。 ^[9]

メンデル以前には、ハンガリーの貴族でメンデルより前にケーシェグに住んでいたイムレ・フェシュテティチが、遺伝学の文脈で「遺伝的」という言葉を初めて使用し、最初の遺伝学者と見なされている。彼は著書「自然の遺伝法則」（1819年）の中で、生物学的遺伝のいくつかの法則を説明した。^[10]彼の第二法則は、メンデルが発表したものと同じである。^{[11]彼は第三法則で、突然変異の基本原理を展開した（彼は}フーゴ・デ・フリースの先駆者と見なすことができる）。^[12]フェシュテティチチは、家畜、植物、人間の世代で観察される変化は科学的法則の結果であると主張した。^[13]フェシュテティチチは、生物がその形質を獲得するのではなく継承することを経験的に推論した。彼は、過去の世代の形質が後に再び現れ、生物が異なる属性を持つ子孫を生み出す可能性があるという仮説を立てることで、劣性形質と固有の変異を認識した。^[14]これらの観察は、20世紀の遺伝学の基本的な理論的基礎を提供することで、遺伝が神話の地位から科学的分野への移行を特徴とする点で、メンデルの粒子遺伝理論への重要な前兆を表しています。^{[10] [15]}

メンデルの研究に先立って、他の遺伝理論が存在した。19世紀に人気があった理論は混合遺伝であり、チャールズ・ダーウィンの1859年の『種の起源』にも示唆されていた。これは、個体は親から滑らかに混合された形質を受け継ぐという考えである。^[16]メンデルの研究は、交雑後に形質が明らかに混合されなかった例を提供し、形質は連続的な混合ではなく、異なる遺伝子の組み合わせによって生成されることを示した。子孫における形質の混合は、現在では、定量的効果を持つ複数の遺伝子の作用によって説明されている。当時ある程度支持されていた別の理論は、獲得形質の遺伝であり、個体は親によって強化された形質を受け継ぐという信念であった。この理論（一般にジャン＝バティスト・ラマルクと関連付けられる）は現在では誤りであることがわかっている。つまり、個人の経験は、子供に伝える遺伝子に影響を与えないということである。 [ ^17]他の理論としては、ダーウィンのパンゲネシス（獲得的側面と遺伝的側面の両方を持つ）や、フランシス・ゴルトンによるパンゲネシスを粒子的かつ遺伝的側面の両方として再定式化した理論などがある。^[18]

現代遺伝学は、メンデルによる植物の遺伝の性質に関する研究から始まった。1865年にブルノの自然研究協会に提出された論文「植物交雑の実験」で、メンデルはエンドウ豆の特定の形質の遺伝パターンを追跡し、それを数学的に記述した。この遺伝パターンはいくつかの形質でしか観察できなかったが、メンデルの研究は、遺伝は獲得されたものではなく、粒子状のものであり、多くの形質の遺伝パターンは単純な規則と比率で説明できることを示唆した。^[19]

メンデルの研究の重要性は、1900年に彼の死後、ヒューゴ・デ・フリースと他の科学者が彼の研究を再発見するまで広く理解されませんでした。メンデルの研究の支持者であるウィリアム・ベイトソンは、1905年に遺伝学という言葉を造り出しました^{。[20] [21]}形容詞の遺伝は、ギリシャ語の起源（起源- γένεσις）に由来し、名詞よりも古く、1860年に初めて生物学的な意味で使用されました。^[22]ベイトソンはメンターとして活動し、ケンブリッジ大学ニューナム・カレッジの他の科学者、特にベッキー・サンダース、ノーラ・ダーウィン・バーロウ、ミュリエル・ウェルデール・オンスローの研究から多大な助けを受けました。^[23]ベイトソンは1906年にロンドンで開催された第3回国際植物交配会議の就任演説で、遺伝の研究を説明するために遺伝学という言葉の使用を普及させた。^[24]

メンデルの研究が再発見された後、科学者たちは細胞内のどの分子が遺伝を司っているのかを突き止めようとした。1900年、ネッティー・スティーブンスはミールワームの研究を始めた。^[25]その後11年間で、彼女はメスはX染色体のみを持ち、オスはX染色体とY染色体の両方を持っていることを発見した。^[25]彼女は性別は染色体要因であり、オスによって決定されるという結論に至った。^[25] 1911年、トーマス・ハント・モーガンはショウジョウバエの性染色体性白目突然変異の観察に基づき、遺伝子は染色体上にあると主張した。^{[26] 1913}年、彼の学生アルフレッド・スターテヴァントは遺伝子連鎖現象を利用して、遺伝子が染色体上に直線的に配置されていることを示

遺伝子は染色体上に存在することは知られていたが、染色体はタンパク質と DNA の両方で構成されており、科学者はどちらが遺伝を担っているのかを知らなかった。1928年、フレデリック・グリフィスは形質転換の現象を発見した。死んだ細菌が遺伝物質を移して、まだ生きている他の細菌を「形質転換」することができるというものである。16 年後の 1944 年、エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験により、形質転換を担う分子は DNA であると特定された。^[28]真核生物における遺伝情報の貯蔵庫としての核の役割は、単細胞藻類アセタブラリアに関する研究で 1943 年にヘマーリングによって確立されていた。^[29] 1952 年のハーシー・チェイスの実験により、細菌に感染するウイルスの遺伝物質は (タンパク質ではなく) DNA であることが確認され、DNA が遺伝を担う分子であるというさらなる証拠が示された。^[30]

ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックは、1953年にDNAの構造を決定した。その際、ロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスのX線結晶構造解析の成果がDNAの構造を決定した。この研究では、DNAはらせん構造（つまり、コルク抜きのような形）であることが示された。 ^{[31] [ 32]}彼らの二重らせんモデルは、ヌクレオチドが内側を向いた2本のDNA鎖で構成され、それぞれがもう一方の鎖の相補ヌクレオチドとマッチして、ねじれたはしごの段のように見えるものを形成していた。^{[33]この構造は、DNAの各鎖のヌクレオチド配列に遺伝情報が存在することを示した。また、この構造は}複製の簡単な方法を示唆した。鎖が分離した場合、古い鎖の配列に基づいて、それぞれに対して新しいパートナー鎖を再構築できる。この特性により、DNAは半保存的性質を持ち、新しいDNAの1本鎖は元の親鎖に由来する。^[34]

DNAの構造は遺伝の仕組みを明らかにしたが、DNAが細胞の行動にどのように影響するかはまだわかっていなかった。その後数年間、科学者たちはDNAがタンパク質生産のプロセスをどのように制御しているかを理解しようとした。^[35]細胞はDNAをテンプレートとして使用し、DNAに非常によく似たヌクレオチドを持つ分子である一致するメッセンジャーRNAを作成することが発見された。メッセンジャーRNAのヌクレオチド配列は、タンパク質のアミノ酸配列を作成するために使用されます。このヌクレオチド配列とアミノ酸配列間の翻訳は遺伝コードとして知られています。^[36]

遺伝に関する分子レベルでの新たな理解が広まると、研究が爆発的に増加した。^[37] 1973年に大田智子が中立分子進化説を修正し、ほぼ中立分子進化説を発表したことで、注目すべき理論が生まれた。この理論で、大田は自然選択と環境が遺伝的進化の速度に及ぼす影響の重要性を強調した。^[38]重要な進歩の1つは、1977年にフレデリック・サンガーが行った連鎖終結DNA配列決定法である。この技術により、科学者はDNA分子のヌクレオチド配列を読み取ることができる。^[39] 1983年に、キャリー・バンクス・マリスはポリメラーゼ連鎖反応を開発し、混合物から特定のDNA部分を迅速に分離して増幅する方法を提供した。^[40]ヒトゲノム計画、米国エネルギー省、NIH、およびセレラ・ジェノミクスによる並行した民間の取り組みにより、2003年にヒトゲノムの配列決定が行われた。 ^{[41] [42]}

生物における遺伝は、最も基本的なレベルでは、遺伝子と呼ばれる個別の遺伝単位が親から子へと受け継がれることによって起こります。^{[43]この特性は、}エンドウ豆の遺伝形質の分離を研究したグレゴール・メンデルによって初めて観察されました。メンデルは、例えば、1つの植物の花は紫か白のどちらかであり、2つの色の中間色ではないことを示しました。遺伝する外観（表現型）を制御する同じ遺伝子の個別のバージョンは、対立遺伝子と呼ばれます。^{[19] [44]}

エンドウ豆は二倍体種であり、各植物は各遺伝子のコピーを 2 つ持っており、各親から 1 つずつ受け継いでいます。^[45]人間を含む多くの種が、この遺伝パターンを持っています。特定の遺伝子の同じ対立遺伝子のコピーを 2 つ持つ二倍体生物は、その遺伝子座でホモ接合性と呼ばれ、特定の遺伝子の 2 つの異なる対立遺伝子を持つ生物はヘテロ接合性と呼ばれます。特定の生物の対立遺伝子のセットはその遺伝子型と呼ばれ、生物の観察可能な形質はその表現型と呼ばれます。生物が遺伝子でヘテロ接合性である場合、多くの場合、一方の対立遺伝子はその性質が生物の表現型を支配するため優性と呼ばれ、もう一方の対立遺伝子はその性質が退いて観察されないため劣性と呼ばれます。一部の対立遺伝子は完全優性ではなく、中間の表現型を発現する不完全優性、または両方の対立遺伝子を同時に発現する共優性です。 ^[46]

一対の生物が有性生殖すると、その子孫はそれぞれの親から2つの対立遺伝子のうちの1つをランダムに受け継ぎます。これらの離散的遺伝と対立遺伝子の分離の観察は、メンデルの第一法則または分離の法則として総称されます。ただし、一方の遺伝子が他方の遺伝子よりも優位になる確率は、優性遺伝子、劣性遺伝子、ホモ接合遺伝子、ヘテロ接合遺伝子によって変わる可能性があります。たとえば、メンデルはヘテロ接合生物を交配すると優性形質を得る確率は3:1であることを発見しました。実際の遺伝学者は、理論的確率、経験的確率、積の法則、和の法則などを使用して確率を研究し、計算します。^[47]

遺伝学者は遺伝を説明するために図や記号を使用します。遺伝子は1つまたは数個の文字で表されます。遺伝子の通常の非突然変異対立遺伝子を示すために「+」記号がよく使用されます。 ^[48]

受精と育種の実験（特にメンデルの法則を議論する場合）では、親は「P」世代、子孫は「F1」（第一子）世代と呼ばれます。F1子孫同士が交配すると、子孫は「F2」（第二子）世代と呼ばれます。交配の結果を予測するためによく使用される図の1つは、パネットの四角形です。^[49]

遺伝学者は、人間の遺伝病を研究する際に、形質の継承を表すために家系図をよく使用します。 ^[50]これらの図は、家系図における形質の継承をマッピングします。

生物は何千もの遺伝子を持っており、有性生殖をする生物では、これらの遺伝子は一般に互いに独立して分類される。つまり、黄色や緑のエンドウ豆の色の対立遺伝子の継承は、白や紫の花の対立遺伝子の継承とは無関係である。「メンデルの第二法則」または「独立分類の法則」として知られるこの現象は、異なる遺伝子の対立遺伝子が親の間でシャッフルされ、さまざまな組み合わせの子孫が形成されることを意味する。異なる遺伝子が相互作用して同じ形質に影響を与えることはよくある。たとえば、オオアオイ科の植物( Omphalodes verna ) には、花の色 (青またはマゼンタ) を決定する対立遺伝子を持つ遺伝子が存在する。しかし、別の遺伝子は、花に色があるか、白であるかを制御している。植物がこの白い対立遺伝子のコピーを 2 つ持つ場合、最初の遺伝子が青い対立遺伝子を持つか、マゼンタの対立遺伝子を持つかに関係なく、その花は白くなる。遺伝子間のこの相互作用はエピスタシスと呼ばれ、2 番目の遺伝子は最初の遺伝子に対してエピスタシスを持つ。^[51]

多くの形質は個別の特徴（例えば、紫色や白色の花）ではなく、連続的な特徴（例えば、人間の身長や肌の色）である。これらの複雑な形質は、多くの遺伝子の産物である。^[52]これらの遺伝子の影響は、生物が経験した環境によって、さまざまな程度に媒介される。生物の遺伝子が複雑な形質に寄与する度合いは、遺伝率と呼ばれる。^[53]形質の遺伝率の測定は相対的であり、より変動の大きい環境では、環境が形質の全体的な変動に大きな影響を与える。たとえば、人間の身長は複雑な原因を持つ形質である。米国では、身長の遺伝率は89％である。しかし、人々が良好な栄養と医療へのアクセスをより変動的に経験するナイジェリアでは、身長の遺伝率はわずか62％である。^[54]

遺伝子の分子基盤はデオキシリボ核酸（DNA）である。DNAはデオキシリボース（糖分子）、リン酸基、塩基（アミン基）から構成される。塩基には、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（ G）、チミン（T）の4種類がある。リン酸は糖とホスホジエステル結合して長いリン酸-糖骨格を形成する。塩基は特に2つの骨格の間で対になり（TとA、CとG）、はしごの横木のような形になる。塩基、リン酸、糖は一緒になってヌクレオチドを形成し、それがつながって長いDNA鎖を形成する。^[55]遺伝情報はこれらのヌクレオチドの配列に存在し、遺伝子はDNA鎖に沿った配列の広がりとして存在する。^[56]これらの鎖は二重αらせん構造に巻かれ、構造的サポートを提供するヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き付いている。これらのヒストンに巻き付いたDNAは染色体と呼ばれる。^[57]ウイルスは遺伝物質としてDNAの代わりに同様の分子であるRNAを使用することがあります。 ^[58]

DNAは通常、二重らせん状に巻かれた二本鎖分子として存在します。DNA内の各ヌクレオチドは、反対側の鎖のパートナーヌクレオチドと優先的に対を形成します。AはTと、CはGと対を形成します。したがって、二本鎖の形態では、各鎖にはパートナー鎖と重複するすべての必要な情報が実質的に含まれています。このDNA構造は、遺伝の物理的基礎です。DNA複製は、鎖を分割し、各鎖を新しいパートナー鎖の合成のテンプレートとして使用することで、遺伝情報を複製します。^[59]

遺伝子は、DNA塩基対配列の長い鎖に沿って直線的に配置されている。細菌では、各細胞には通常、単一の環状の遺伝子フォアが含まれるが、真核生物（植物や動物など）のDNAは、複数の直線状の染色体に配置されている。これらのDNA鎖はしばしば極めて長く、例えば、最大のヒト染色体の長さは約2億4700万塩基対である。^[60]染色体のDNAは、DNAを整理、圧縮し、DNAへのアクセスを制御する構造タンパク質と関連しており、クロマチンと呼ばれる物質を形成している。真核生物では、クロマチンは通常、ヒストンタンパク質のコアに巻き付けられたDNAセグメントであるヌクレオソームで構成される。^[61]生物の遺伝物質の完全なセット（通常はすべての染色体の結合したDNA配列）は、ゲノムと呼ばれる。

DNAは細胞の核に最も多く見られますが、ルース・セイガーは核外にある非染色体遺伝子の発見に貢献しました。^[62]植物では、これらは葉緑体に多く見られ、他の生物ではミトコンドリアに見られます。^[62]これらの非染色体遺伝子は、有性生殖においてどちらのパートナーからも受け継がれ、世代を超えて複製され、活性を維持するさまざまな遺伝的特徴を制御します。^[62]

半数体生物は各染色体の1つのコピーしか持たないが、ほとんどの動物と多くの植物は二倍体であり、各染色体を2つずつ持ち、したがってすべての遺伝子のコピーが2つある。遺伝子の2つの対立遺伝子は、2つの相同染色体の同一の遺伝子座に位置し、各対立遺伝子は異なる親から受け継がれる。^[45]

多くの種には、それぞれの生物の性別を決定するいわゆる性染色体がある。 ^[63]人間や他の多くの動物では、Y染色体に男性特有の特徴の発達を引き起こす遺伝子が含まれている。進化の過程で、この染色体はほとんどの内容と遺伝子のほとんどを失ったが、X染色体は他の染色体と似ており、多くの遺伝子を含んでいる。そうは言っても、メアリー・フランシス・リヨンは、子孫に2倍の遺伝子が伝わらないように、生殖中にX染色体が不活性化されることを発見した。^[64]リヨンの発見は、X連鎖疾患の発見につながった。^[64]

細胞が分裂すると、そのゲノム全体がコピーされ、それぞれの娘細胞が1つのコピーを受け継ぎます。有糸分裂と呼ばれるこのプロセスは、最も単純な生殖形態であり、無性生殖の基礎となります。無性生殖は多細胞生物でも起こり、単一の親からゲノムを受け継いだ子孫を生み出します。親と遺伝的に同一の子孫はクローンと呼ばれます。^[65]

真核生物は、多くの場合、有性生殖を利用して、2人の異なる親から受け継いだ遺伝物質の混合物を含む子孫を生成します。有性生殖のプロセスは、ゲノムの単一のコピー（半数体）と二重のコピー（二倍体）を含む形態を交互に繰り返します。^[45]半数体細胞は遺伝物質を融合して組み合わせ、対になった染色体を持つ二倍体細胞を作成します。二倍体生物は、DNAを複製せずに分裂して半数体を形成し、各対の染色体の1つをランダムに受け継ぐ娘細胞を作成します。ほとんどの動物と多くの植物は、その生涯のほとんどで二倍体であり、半数体形態は精子や卵子などの単細胞配偶子に縮小されます。^[66]

細菌は有性生殖の半数体/二倍体法は使用しないが、新しい遺伝情報を獲得する方法は多数ある。細菌の中には接合を起こすものもあり、小さな円形の DNA 片を別の細菌に転移させる。^[67]細菌はまた、環境中に見られる生の DNA 断片を取り込み、それを自身のゲノムに組み込むこともできる。この現象は形質転換と呼ばれる。^[68]これらのプロセスは水平遺伝子伝達をもたらし、本来は無関係な生物間で遺伝情報の断片を伝達する。自然な細菌の形質転換は多くの細菌種で発生し、DNA をある細胞から別の細胞（通常は同じ種）に転移させる性的プロセスとみなすことができる。 ^{[69]形質転換には多数の細菌}遺伝子産物の作用が必要であり、その主な適応機能は受容細胞におけるDNA 損傷の修復であると思われる。^[69]

染色体の二倍体性により、異なる染色体上の遺伝子は、有性生殖中に独立して分類されるか、相同対から分離され、半数体配偶子が形成される。このようにして、交配ペアの子孫に新しい遺伝子の組み合わせが発生する可能性がある。同じ染色体上の遺伝子は、理論的には組み換えられることはない。しかし、染色体交差という細胞プロセスによって組み換えられる。交差中、染色体はDNAの断片を交換し、染色体間で遺伝子の対立遺伝子を効果的にシャッフルする。^[70]この染色体交差のプロセスは、通常、半数体細胞を作成する一連の細胞分裂である減数分裂中に発生する。減数分裂組み換えは、特に微生物真核生物では、DNA損傷の修復という適応機能を果たしていると思われる。^[69]

交差の最初の細胞学的実証は、1931年にハリエット・クレイトンとバーバラ・マクリントックによって行われました。トウモロコシに関する彼らの研究と実験は、対になった染色体上の連鎖遺伝子が実際には相同遺伝子間で場所を交換するという遺伝学理論の細胞学的証拠を提供しました。^[71]

染色体上の 2 つの点の間で染色体交差が起こる確率は、点間の距離に関係しています。任意の距離が長い場合、交差の確率は十分に高いため、遺伝子の継承は実質的に無相関です。^[72]ただし、遺伝子同士が近い場合、交差の確率が低いということは、遺伝子が遺伝的連鎖を示していることを意味します。つまり、2 つの遺伝子の対立遺伝子は一緒に継承される傾向があります。一連の遺伝子間の連鎖の量を組み合わせると、染色体に沿った遺伝子の配置を大まかに表す線形連鎖地図を作成できます。 ^[73]

遺伝子は、細胞内のほとんどの機能を担う分子であるタンパク質の生成を通じて機能効果を発揮します。タンパク質は、アミノ酸の配列からなる 1 つ以上のポリペプチド鎖で構成されています。遺伝子の DNA 配列は、特定のアミノ酸配列を生成するために使用されます。このプロセスは、遺伝子の DNA 配列と一致する配列を持つ RNA 分子の生成から始まります。このプロセスは転写と呼ばれます。

このメッセンジャーRNA分子は、翻訳と呼ばれるプロセスを通じて、対応するアミノ酸配列を生成する役割を果たす。配列中の3つのヌクレオチドの各グループはコドンと呼ばれ、タンパク質中の20種類のアミノ酸のいずれか、またはアミノ酸配列を終了させる指示のいずれかに対応しており、この対応は遺伝コードと呼ばれている。^[74]情報の流れは一方向である。つまり、情報はヌクレオチド配列からタンパク質のアミノ酸配列に転送されるが、タンパク質からDNA配列に転送されることはない。フランシス・クリックは、この現象を分子生物学のセントラルドグマと呼んだ。^[75]

アミノ酸の特定の配列は、そのタンパク質のユニークな三次元構造をもたらし、タンパク質の三次元構造はその機能に関連しています。^{[76] [77]}コラーゲンタンパク質によって形成される繊維のように、単純な構造分子もあります。タンパク質は他のタンパク質や単純な分子に結合し、結合した分子内で化学反応を促進することで酵素として機能することがあります（タンパク質自体の構造は変化しません）。タンパク質の構造は動的です。タンパク質ヘモグロビンは、哺乳類の血液内で酸素分子の捕捉、輸送、放出を促進するため、わずかに異なる形に曲がります。^[要出典]

DNA 内の1つのヌクレオチドの違いが、タンパク質のアミノ酸配列の変化を引き起こす可能性があります。タンパク質の構造はアミノ酸配列の結果であるため、一部の変化は、構造を不安定にしたり、タンパク質の表面を変化させて他のタンパク質や分子との相互作用を変えたりすることで、タンパク質の特性を劇的に変えることができます。たとえば、鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビンの β グロビン セクションのコーディング領域内の 1 つの塩基の違いによって生じるヒトの遺伝病で、ヘモグロビンの物理的特性を変える 1 つのアミノ酸の変化を引き起こします。^[78] 鎌状赤血球のヘモグロビンは互いにくっついて積み重なり、タンパク質を運ぶ赤血球の形を歪める繊維を形成します。これらの鎌状の赤血球は血管をスムーズに流れなくなり、詰まったり劣化したりする傾向があり、この病気に関連する医学的問題を引き起こします。^[要出典]

一部の DNA 配列は RNA に転写されますが、タンパク質産物には翻訳されません。このような RNA 分子は非コード RNAと呼ばれます。場合によっては、これらの産物は重要な細胞機能に関与する構造に折り畳まれます (例:リボソーム RNAおよび転移 RNA )。RNA は、他の RNA 分子 (マイクロ RNAなど) とのハイブリダイゼーション相互作用を通じて制御効果を発揮することもあります。^[要出典]

遺伝子には生物が機能するために必要な情報がすべて含まれていますが、生物が示す最終的な表現型を決定する上で環境が重要な役割を果たします。「自然と環境」というフレーズは、この相補的な関係を指します。生物の表現型は、遺伝子と環境の相互作用によって決まります。興味深い例として、シャム猫の毛色があります。この場合、猫の体温が環境の役割を果たします。猫の遺伝子は黒っぽい毛をコード化しているため、猫の毛を生成する細胞は細胞タンパク質を作り、その結果、黒っぽい毛になります。しかし、これらの黒っぽい毛を生成するタンパク質は温度に敏感で（つまり、温度感受性を引き起こす突然変異がある）、高温環境では変性し、猫の体温が高い部分で黒っぽい毛の色素を生成できなくなります。しかし、低温環境では、タンパク質の構造は安定しており、黒っぽい毛の色素が正常に生成されます。このタンパク質は、脚、耳、尾、顔など、皮膚のより冷たい部分では機能を維持しているため、猫の四肢には黒い毛が生えています。^[79]

環境は、ヒトの遺伝病であるフェニルケトン尿症の症状に大きく影響します。フェニルケトン尿症を引き起こす突然変異は、体内のフェニルアラニンというアミノ酸の分解能力を阻害し、中間分子の毒性蓄積を引き起こし、進行性知的障害や発作などの重篤な症状を引き起こします。しかし、フェニルケトン尿症の突然変異を持つ人がこのアミノ酸を避ける厳格な食事療法に従えば、正常で健康な状態を保つことができます。^[80]

遺伝子と環境（「生まれと育ち」）が表現型にどのように影響するかを判断する一般的な方法は、一卵性双生児と二卵性双生児、または他の多胎出産の兄弟姉妹を研究することです。^[81]一卵性双生児は同じ受精卵から生まれるため、遺伝的に同じです。一方、二卵性双生児は、通常の兄弟姉妹と同じくらい遺伝的に異なります。特定の疾患が一卵性双生児のペアで発生する頻度と二卵性双生児のペアで発生する頻度を比較することで、科学者はその疾患が遺伝的要因によるものか、出生後の環境要因によるものかを判断することができます。有名な例の1つは、統合失調症と診断された一卵性四つ子のジェナイン四つ子の研究です。^[82]

ある生物のゲノムには何千もの遺伝子が含まれていますが、これらの遺伝子のすべてが常に活性化している必要はありません。遺伝子はmRNAに転写されるときに発現し、細胞が必要とするときにのみタンパク質が生成されるように遺伝子の発現を制御する細胞内方法が多数存在します。転写因子はDNAに結合する調節タンパク質であり、遺伝子の転写を促進または阻害します。^{[83]たとえば、}大腸菌のゲノム内には、アミノ酸トリプトファンの合成に必要な一連の遺伝子が存在します。しかし、トリプトファンがすでに細胞に利用可能である場合、トリプトファン合成のためのこれらの遺伝子は不要になります。トリプトファンの存在は遺伝子の活性に直接影響します。トリプトファン分子はトリプトファンリプレッサー（転写因子）に結合し、リプレッサーの構造を変化させてリプレッサーが遺伝子に結合するようにします。トリプトファンリプレッサーは遺伝子の転写と発現を阻害し、トリプトファン合成プロセスの負のフィードバック制御を作り出す。 ^[84]

遺伝子発現の違いは多細胞生物内で特に顕著で、細胞はすべて同じゲノムを持っていますが、異なる遺伝子セットの発現により構造と動作が大きく異なります。多細胞生物のすべての細胞は単一の細胞から派生し、外部および細胞間のシグナルに反応してさまざまな細胞タイプに分化し、徐々に異なる遺伝子発現パターンを確立して異なる動作を生み出します。多細胞生物内の構造の発達に関与する遺伝子は 1 つではないため、これらのパターンは多くの細胞間の複雑な相互作用から生じます。^{[出典が必要]}

真核生物には、遺伝子の転写に影響を与えるクロマチンの構造的特徴があり、多くの場合、DNAとクロマチンの改変という形で娘細胞に安定的に継承される。 ^[85]これらの特徴は、DNA配列の「上」に存在し、細胞世代から次の世代へと継承されるため、「エピジェ​​ネティック」と呼ばれる。エピジェネティックな特徴があるため、同じ培地内で増殖した異なる細胞タイプは、非常に異なる特性を保持することができる。エピジェネティックな特徴は、一般的には発達の過程で動的であるが、パラミューテーション現象のように、複数世代にわたって継承され、DNAが継承の基礎であるという一般的なルールに対するまれな例外として存在するものもある。^[86]

DNA 複製の過程で、第 2 鎖の重合でエラーが発生することがあります。これらのエラーは突然変異と呼ばれ、特に遺伝子のタンパク質コード配列内で発生した場合、生物の表現型に影響を及ぼす可能性があります。エラー率は通常非常に低く、1,000 万～1 億塩基に 1 つのエラーです。これはDNA ポリメラーゼの「校正」能力によるものです。^{[87] [88]} DNA の変化率を高めるプロセスは突然変異と呼ばれます。突然変異誘発性化学物質は、塩基対合の構造を妨害することで DNA 複製のエラーを促進しますが、紫外線はDNA 構造に損傷を与えることで突然変異を引き起こします。^[89] DNA への化学的損傷は自然にも発生し、細胞はDNA 修復メカニズムを使用してミスマッチや切断を修復します。ただし、修復によって元の配列が常に復元されるわけではありません。DNA 損傷の特に重要な原因は、細胞の好気呼吸によって生成される活性酸素種^[90]であると考えられており、これが突然変異につながる可能性があります。^[91]

染色体の交差を 利用してDNAを交換し、遺伝子を組み換える生物では、減数分裂中の配列のエラーも突然変異を引き起こす可能性があります。交差エラーは、類似した配列によってパートナーの染色体が誤った配列を採用する場合に特に起こりやすく、これによりゲノムの一部の領域がこのように突然変異を起こしやすくなります。これらのエラーにより、DNA配列に大きな構造変化（重複、逆位、領域全体の欠失）が発生したり、異なる染色体間で配列の一部が偶然に交換されたり（染色体転座）したりします。^[92]

突然変異は生物の遺伝子型を変え、時には異なる表現型を出現させる。ほとんどの突然変異は生物の表現型、健康、生殖適応度にほとんど影響を及ぼさない。^[93]影響を与える突然変異は通常有害であるが、時には有益なものもある。^[94]ショウジョウバエの研究によると、突然変異が遺伝子によって生成されるタンパク質を変化させる場合、これらの突然変異の約70％は有害であり、残りは中立または弱い有益性であることが示唆されている。^[95]

集団遺伝学は、集団内の遺伝的差異の分布と、これらの分布が時間とともにどのように変化するかを研究します。^[96]集団内の対立遺伝子の頻度の変化は、主に自然選択によって影響を受けます。自然選択では、特定の対立遺伝子が生物に選択的または生殖的利点をもたらします。^[97]また、突然変異、遺伝的浮動、遺伝的ヒッチハイク、^[98] 人為的選択、移住などの他の要因も影響を受けます。^[99]

多くの世代にわたって、生物のゲノムは大きく変化し、進化をもたらす。適応と呼ばれるプロセスでは、有益な突然変異の選択により、種は環境でより生き残ることができる形態に進化することができる。^{[100]新しい種は}種分化のプロセスを通じて形成され、多くの場合、集団が互いに遺伝子を交換するのを妨げる地理的分離によって引き起こされる。^[101]

異なる種のゲノム間の相同性を比較することで、それらの間の進化的距離と、それらが分岐した時期を計算することができます。遺伝子の比較は、表現型特性の比較よりも種間の関連性を特徴付けるより正確な方法であると一般的に考えられています。種間の進化的距離は、進化樹を形成するために使用できます。これらの樹は、時間の経過に伴う種の共通の祖先と分岐を表しますが、無関係な種間の遺伝物質の移動（水平遺伝子移動として知られ、細菌で最も一般的）は示しません。 ^[102]

遺伝学者はもともと多種多様な生物の遺伝を研究していたが、研究対象種の範囲は狭まってきた。その理由の 1 つは、特定の生物についてすでに重要な研究が行われている場合、新しい研究者がさらなる研究のためにその生物を選択する可能性が高く、最終的に少数のモデル生物がほとんどの遺伝学研究の基礎となったことである。モデル生物遺伝学における一般的な研究テーマには、遺伝子調節の研究、および発達と癌における遺伝子の関与がある。生物が選ばれたのは、部分的には利便性のためである。世代時間が短く、遺伝子操作が容易なため、一部の生物は遺伝学研究のツールとして人気があった。広く使用されているモデル生物には、腸内細菌の大腸菌、植物のシロイヌナズナ、パン酵母 ( Saccharomyces cerevisiae )、線虫の線虫、一般的なショウジョウバエ ( Drosophila melanogaster )、ゼブラフィッシュ ( Danio rerio )、一般的なハツカネズミ ( Mus musculus ) などがある。^[103]

医学遺伝学は、遺伝的変異が人間の健康と病気にどのように関係しているかを理解することを目指しています。^[104]病気に関係している可能性のある未知の遺伝子を探す場合、研究者は一般的に遺伝子連鎖と遺伝子家系図を使用して、病気に関連するゲノム上の位置を見つけます。集団レベルでは、研究者はメンデルランダム化を利用して、病気に関連するゲノム上の位置を探します。この方法は、単一の遺伝子では明確に定義されていない多重遺伝子形質に特に役立ちます。 ^[105]候補遺伝子が見つかると、モデル生物の対応する（または相同な）遺伝子についてさらに研究が行われることがよくあります。遺伝性疾患の研究に加えて、遺伝子型判定法の利用可能性が高まったことにより、薬理遺伝学の分野が生まれました。これは、遺伝子型が薬物反応にどのように影響するかを研究する分野です。^[106]

がんを発症する遺伝的傾向は個人によって異なり、がんは遺伝病です。体内でのがん発症のプロセスは、一連のイベントの組み合わせです。体内の細胞が分裂するときに、細胞内で突然変異が発生することがあります。これらの突然変異は子孫に受け継がれませんが、細胞の行動に影響を与え、細胞がより頻繁に成長して分裂する原因となることがあります。このプロセスを止めようとする生物学的メカニズムがあります。不適切に分裂している細胞には細胞死を引き起こすはずのシグナルが与えられますが、時には追加の突然変異が発生し、細胞がこれらのメッセージを無視するようになります。体内で自然選択の内部プロセスが発生し、最終的に突然変異が細胞内に蓄積して自身の成長を促進し、体のさまざまな組織に侵入して成長するがん性腫瘍を形成します。通常、細胞は成長因子と呼ばれるシグナルに反応してのみ分裂し、周囲の細胞と接触したり成長抑制シグナルに反応したりすると成長を停止します。その後、通常は限られた回数だけ分裂して死に、上皮内にとどまり、他の臓器に移動できなくなります。がん細胞になるには、細胞はいくつかの遺伝子（3～7 個）の変異を蓄積する必要があります。がん細胞は成長因子なしで分裂でき、抑制シグナルを無視します。また、不死であり、隣接細胞と接触した後でも無限に成長できます。上皮から、最終的には原発腫瘍から逃れる場合があります。次に、逃れた細胞は血管の内皮を通過し、血流によって運ばれ、新しい臓器に定着して、致命的な転移を形成します。がんのごく一部に遺伝的素因がありますが、大部分は、分裂して腫瘍を形成する 1 つまたは少数の細胞に最初に現れて蓄積し、子孫には伝達されない一連の新しい遺伝子変異によるものです（体細胞変異）。最も頻繁な変異は、腫瘍抑制因子であるp53 タンパク質の機能喪失、または p53 経路における機能獲得変異、およびRas タンパク質またはその他のがん遺伝子における機能獲得変異です。^{[107] [108]}

DNAは実験室で操作することができます。制限酵素は、特定の配列でDNAを切断し、予測可能なDNA断片を生成するために一般的に使用される酵素です。^[109] DNA断片は、長さに応じて断片を分離するゲル電気泳動を使用して視覚化できます。 ^[110]

ライゲーション酵素を使用すると、DNA断片をつなげることができます。異なるソースからのDNA断片を結合（「ライゲーション」）することで、研究者は遺伝子組み換え生物に関連することが多い組み換えDNAを作成できます。組み換えDNAは、プラスミド（いくつかの遺伝子を持つ短い環状DNA分子）の文脈でよく使用されます。分子クローニングと呼ばれるプロセスでは、研究者はプラスミドを細菌に挿入し、寒天プレート上で培養することでDNA断片を増幅できます（細菌細胞のクローンを分離するため）。「クローニング」は、クローン（「クローン」）生物を作成するさまざまな方法を指すこともあります。^[111]

DNAはポリメラーゼ連鎖反応（PCR）と呼ばれる手法で増幅することもできる。^[112] PCRは特定の短いDNA配列を使用することで、標的のDNA領域を分離し、指数関数的に増幅することができる。PCRは極めて少量のDNAから増幅できるため、特定のDNA配列の存在を検出するためにもよく使用される。^{[113] [114]}

DNA配列決定は遺伝学の研究のために開発された最も基本的な技術の一つであり、研究者はDNA断片のヌクレオチド配列を決定することができる。 1977年にフレデリック・サンガー率いるチームによって開発された連鎖終結配列決定の技術は、現在でもDNA断片の配列決定に日常的に使用されている。この技術を使用して、研究者は多くのヒト疾患に関連する分子配列を研究することができた。^[115]

シーケンシングのコストが下がったため、研究者はゲノムアセンブリと呼ばれるプロセスを使用して多くの生物のゲノムをシーケンシングしてきました。ゲノムアセンブリでは、計算ツールを使用して多くの異なる断片の配列をつなぎ合わせます。^[116]これらの技術は、2003年に完了したヒトゲノムプロジェクトでヒトゲノムのシーケンシングに使用されました。^[41]新しいハイスループットシーケンシング技術により、DNAシーケンシングのコストが劇的に低下しており、多くの研究者がヒトゲノムの再シーケンシングのコストを1,000ドルまで下げたいと考えています。^[117]

次世代シーケンシング（またはハイスループットシーケンシング）は、低コストのシーケンシングに対する需要がますます高まったために生まれました。これらのシーケンシング技術により、潜在的に何百万ものシーケンスを同時に生成できます。^{[118] [119]}利用可能な大量のシーケンスデータにより、計算ツールを使用して生物の完全なゲノムのパターンを検索および分析する研究であるゲノミクスのサブフィールドが生まれました。ゲノミクスは、計算アプローチを使用して大量の生物学的データを分析するバイオインフォマティクスのサブフィールドと見なすこともできます。これらの研究分野に共通する問題は、人間の主題と個人を特定できる情報を扱うデータをどのように管理および共有するかです。^[要出典]

2015年3月19日、一流の生物学者グループが、特にCRISPRとジンクフィンガーを用いた、遺伝性のある形でヒトゲノムを編集する方法の臨床使用を世界中で禁止するよう求めた。^{[120] [121] [122] [123]} 2015年4月、中国の研究者らはCRISPRを用いて生存不可能なヒト胚のDNAを編集する基礎研究の結果を報告した。^{[124] [125]}

• ウィキクォートにおける遺伝学に関する引用
• ウィキブックスの遺伝学
• あなたの図書館や他の図書館にある遺伝学に関する図書館資料
• BBCの「In Our Time」における遺伝学